CN1256000C - 多频缝隙天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频天线装置，其包括可在高频上工作的末端开口的缝隙天线(20)，该缝隙天线与可在低频工作的天线部件(22)级联，得到由单一激励端口(33)馈入的两个不同天线。确定了缝隙天线(20)的U形导电带(21)在靠近缝隙天线(20)的末端开口侧的一端具有接地连接点(37)，和在另一末端连接到天线部件(22)的实际馈入点(30)。从接地连接点(37)到馈入点的电长度大约是第一频率的波长的1/4，在馈入点(30)处产生了实际的开口。

Description

多频缝隙天线装置
技术领域
本发明总的来说涉及天线，具体地说涉及包括缝隙天线的多频天线。
背景技术
今天的无线通信技术要求蜂窝无线电话产品具有在多频段中工作的能力。在美国，正常的工作频率波段(例如)为模拟、码分多址(CDMA)或在800MHz的时分多址(TDMA)、在1500MHz的全球定位系统(GPS)、在1900MHz的个人通信系统(PCS)、和在2400MHz的BluetoothTM。而在欧洲，正常的工作频率波段为在900MHz的全球数字移动电话系统(GSM)、在1500MHz的GPS，在1800MHz的数字通信系统(DCS)和在2400MHz的BluetoothTM。在这些多频波段中工作的能力要求天线结构能够处理所有这些频率。
诸如可伸缩的和固定的“短粗”天线的外部天线结构已经被与多个天线部件一起使用来覆盖所关心的频率波段。然而，由于无线电话向外伸出的属性以及具有易碎的构造的属性，比较容易被损害。具体而言，随着无线电话的尺寸的缩小，用户很可能将它们放在口袋中或者钱包中，使它们受到可损坏天线的挤压和弯曲力。而且，在缩回的状态下，可伸缩的天线在一些频率波段中效率较低，用户不可能总是在使用时伸出天线，因为这要求额外的操作。而且，市场研究也表明今天的用户喜爱内部天线胜过外部天线。
存在一种倾向，无线电话将内部包含的固定天线结合到无线电话中。然而，这通常增加了无线电话的尺寸以容纳天线结构，并且难以维持天线的效率，因为现在将天线部件放在靠近无线电话中的其它导电元件。而且，天线容易受到来自这些相同的导电元件的影响，进而削弱了效率，尤其是在低频波段中。
缝隙和微波传输带(microstrip)传输线天线可以用在高频应用中，并且非常低矮。然而，由于尺寸的限制，这些天线仅可以在单个频率波段中工作。可以在金属表面中挖槽(cutoout)来实现缝隙天线。现有技术的谐振缝隙天线几何图形包括二分之一波长(λ/2)的全缝隙天线，其中它的缝隙的两端都是封闭的，缝隙的长度是二分之一波长(在1800/1900MHz中大约为80毫米，这个尺寸很长，并且对蜂窝电话不实用)。另一种类型的缝隙天线是如现有技术的图1所示的四分之一波长(λ/4)的末端开口的缝隙天线10。对于λ/4的缝隙天线10，缝隙14的长度12是四分之一波长，缝隙14的一端封闭，而另一端开放。缝隙14由自激励端口耦合的能量差分地(differentially)激励，激励端口在缝隙14的封闭端附近提供正电荷13和负电荷15，且如图所示垂直缝隙。通常，由嵌入在缝隙之下的微波传输带线提供激励端口。导电接地板16围绕在缝隙14周围。在无线电话中可以使用不止一个缝隙天线以获得在多频波段中辐射。然而，分离天线要求分离的激励端口和各自的电调谐机制，这增加了尺寸和成本。
因此，存在对一种具有多波段频率辐射能力的、小尺寸和低成本的内部天线装置的需要。另一个希望的优点是将提供比外部多波段天线好的性能。提供有单个激励端口驱动的天线装置也将是另一个好处。
发明内容
根据本发明，提供了一种在多波段无线电话中使用的天线装置，其可在第一频率和第二频率上工作，所述天线装置包括：绝缘体材料；确定置于所述绝缘体材料的第一部分的顶部表面上以形成基本上是方形的缝隙的导电带的缝隙天线，所述缝隙天线可在第一频率上工作，所述缝隙具有大约为第一频率的波长的1/8的电长度；和置于所述绝缘体材料的第二部分上的天线部件，所述天线部件可在第二频率上工作；所述导电带具有位于该导电带的第一侧面部件的接地连接点，并且具有位于与所述导电带的第一侧面部件相反的第二侧面部件并且耦合到所述天线部件的馈入点，其中从所述接地连接点到所述馈入点的电长度大约为第一频率的波长的1/4。
附图说明
图1示出了现有技术的四分之一波长的缝隙天线的俯视图；
图2示出了根据本发明的第一优选实施例的天线装置的透视图；
图3示出了根据本发明的替代第一优选实施例的天线装置的俯视图；
图4示出了根据本发明的第二优选实施例的天线装置的俯视图；和
图5示出了图4的天线装置的截面图。
具体实施方式
本发明提供了一种带有多波段频率辐射能力的内部天线装置。具体地说，线圈天线耦合到公共基底上的末端开口的缝隙天线，并且由该末端开口的缝隙天线激励以覆盖两个不同的频率波段。在本发明中描述的结构提供了一种紧凑的、低矮的天线装置，其可以安装在无线电话内部，具有比外部多波段天线好的性能。而且，驱动线圈天线的末端开口的缝隙天线的结构使得这种天线装置可以由单个激励端口驱动。
本发明还可应用到除了在此介绍的优选实施例的场合，而且这种说明仅仅是用来举例说明和描述本发明，没有对本发明进行任何方面的限制。尽管从说明书推断出限定了本发明特征的权利要求书具有新颖性，我们相信，考虑下面的说明并且结合附图，可以更好地理解本发明，在附图中，相同的标记代表一直被使用。如在本发明中所限定的，无线电话是一种可以使用在射频范围内的电磁波来将信息传送到基站的便携式或移动通信设备。
有利地，可以将本发明的原理应用到要求收发RF信号的任何电子产品。优选地，通信设备的无线电话部件是适于个人通信的蜂窝无线电话，但是也可以是寻呼机、无绳无线电话、或个人通信服务(PCS)无线电话。无线电话部件可以根据模拟通信标准或数字通信标准来构造。无线电话部件通常包括射频(RF)发射机，RF接收机，控制器，天线，电池，双向滤波器，频率合成器，信号处理器，和包括键盘、显示器、控制开关和麦克中的至少一个的用户接口。无线电话部件还可包括寻呼接收机。结合到蜂窝电话、双向无线、或装置选择的无线接收机中的电子器件如寻呼机在本技术领域中是公知的，并且可以被结合到本发明的通信设备中。
图2和3示出了根据本发明的、可在第一频率(高频波段)和第二频率(低频波段)上工作的天线装置。在第一频率上谐振的末端开口的缝隙天线20被以级联方式连接到在第二频率上谐振的天线部件22。缝隙天线20馈送给天线部件22。优选地，以线圈结构来安排天线部件的部件24。这样做是为了减少天线结构的整个长度。然而，应当认识到，天线部件还可以是直线导线或者其它的结构。缝隙天线还可以是两端都是末端封闭，但是这增加了天线结构的尺寸。应当认识到，如图所示的绝缘体的厚度被放大以降低视觉混乱。
在第一频率上为四分之一波长且以U形折叠的导电带21被放置在绝缘体材料23的第一部分中，并且缝隙29在导电带21中被实现以确定末端开口的缝隙天线20。绝缘体基底是方形的，具有两个长的侧面和两个短的侧面，以及相对的顶部和底部主表面。U形导电带被放置在绝缘体基底23的顶部表面上。U形导电带包括两个侧面部件(sidemember)，每一个都确定U形的腿，每一个在长度上是大约八分之一的预定波长，且末端部件连接腿或侧面部件以完成U形。侧面和末端部件确定了一个基本上是方形的缝隙29，其沿基本上平行长侧面的方向延伸。缝隙29在第一末端(封闭的末端)由末端部件封闭，而在第二末端开口(开口末端)。天线进一步包括微波传输带馈送线33，连接到绝缘体基底的底部表面，以在天线和RF设备如无线电话之间电磁耦合RF信号。微波传输带馈送线延伸穿过接近缝隙的第二末端的缝隙并且与之垂直，且进一步穿过两个侧面部件的一部分。接地点37电连接到U形导电带21的两个侧面部件的第一个，且位于缝隙29的第二末端的附近。
缝隙的长度、宽度和位置影响获得的频率波段。缝隙天线20可在第一频率上工作，且具有大约为第一频率的八分之一波长的电长度。导电带21具有一接地连接点37，位于缝隙天线20的开口末端侧附近的一端，并且缝隙天线20以实际的馈入点30连接到导电带21的相反末端。从接地连接点37到实际的馈入点30的电长度28在第一频率上大约为四分之一波长。这个四分之一波长的导电带在第一频率上有两个重要目的：a)使在开口末端处的穿过缝隙29的电位差最大，以获得缝隙天线20的最大辐射，和b)在实际的馈入点30处形成开放电路，使得在实际的馈入点30处增加天线部件22不会对缝隙天线20产生电影响。按照相同的原理，实际的馈入点可以用于末端封闭的缝隙天线。
天线部件22放置在绝缘体材料23的第二部分上，并且可在第二频率上工作。线圈部分24可以包括下面两者或之一：a)导电带25，缠绕在绝缘体材料23的第二部分的侧面(如图2所示)，或b)两组基本上平行的导电带，放置在绝缘体材料23的第二部分的相反表面上，并且经通孔(vias)26穿过绝缘体材料连接在一起以形成线圈绕组(如图3所示)。然而，可以想象到，在实际中可以使用一种或其它技术。优选地所有的均使用通孔(vias)，因为这在制造天线结构中更加容易完成。例如，可以通过在烧结之后电镀绝缘体板中的通孔，或者充填如导电粘和剂或环氧树脂的导电材料来形成通孔(vias)。
本发明可包括单一激励端口33和置于绝缘体材料23上的、在缝隙29之下且与之垂直的微波传输带馈入线部分34。单一的激励端口电磁耦合到缝隙天线20和天线部件22。注入到激励端口33中的RF信号沿微波传输带馈入线34传播，电磁耦合到缝隙29，产生由正电荷31和负电荷32表示的、穿过缝隙的电位差。因此，电场被建立了，且沿缝隙29按指数降低方式分布，在开口末端幅度最大，在封闭末端幅度值基本上为零。单一激励端口用于馈入缝隙天线和天线部件，其与确定缝隙天线的导电带级联。
由于导电带21的电长度28在第一频率上大约为四分之一波长，穿过缝隙29的电位差被进一步最大化，产生自缝隙天线的有效辐射。该电位差包括在导电带21上流动的RF电流。最大的电流存在于接地连接点处，而最小的电流存在于实际的馈入点30，即一个实际的开放电路。实际的开放电路在缝隙谐振频率上实际上不提供与线圈天线部件22的电连接。
在低于第一频率的第二频率上，导电带21不再是四分之一波长，而是自接地连接点末端的更短距离。在实际的馈入点30出现相对强的电流，且该电流有效地变成为电流源以驱动天线部件22。天线部件22的电长度被优化(例如，通过调整匝数)来获得在第二频率上的谐振。注意，来自缝隙29的辐射在第二频率上最小，因为在穿过缝隙的电位存在微小的差别。同样也注意，导电带21变成天线部件22的一部分，有助于该天线在第二频率上的电长度。最大电流存在于接地连接点以及在取决于线圈长度、无线电话结构和周围环境的线圈的中点的某个地方。结果，单一的激励端口33馈入缝隙天线20和线圈天线22。此外，在第一和第二频率之间的某些频率上，来自缝隙和线圈天线的辐射相对地(constructively)增加，产生了多波段操作。
优选地，微波传输带线包括调谐部分35，其平行于缝隙天线20的缝隙29的长轴方向延伸以寄生地加载缝隙。微波传输带线的平行调谐部分35被用来电容性地或电感性地在一些频率上加载缝隙，以改变天线的工作波段特性。
总之，无线电话的结构和形状因素限制了本发明的天线的整个长度和宽度。U形导电带21的长度28优选地在缝隙谐振频率上为四分之一波长的长度。线圈天线的累积长度(或等价的匝数)确定了第二谐振频率。剩下的用来调谐以获得最佳效率、带宽和输入阻抗的参数为：a)缝隙29的宽度，b)从微波传输带馈入线部分34到缝隙的封闭末端的距离，c)微波传输带馈入线的扩展的平行部分35，和d)材料属性，如电介质常数、损失角正切(loss tangent)、和电介质厚度。这些参数可以如下划分优先级：参数a)和b)为最敏感的调谐参数，以获得带宽和阻抗；参数c)用于精调谐，参数d)具有最小的影响。实际上，电调谐在无线电话中安装的小型天线没有特定的规则，因为与安装在固定位置(塔或房屋的顶端)的电子大型天线相反，这些天线在连续变化的环境中(放在桌子上、握在手里靠近头部、放在钱袋或口袋中，等)工作。当在通话位置中被手覆盖或者被手握住靠近头部时，天线性能急剧地改变。因此，应当认识到，无法调谐天线来满足所有的位置。
实际上，在这个图中示出的缝隙29具有大约2毫米的宽度和15毫米的长度。导电带21的宽度均匀地为4毫米。微波传输带馈入线(部分34和35)宽为1.5毫米，且离缝隙的封闭末端大约为9毫米。微波传输带馈入线的调谐部分35是可调谐的，通常为12毫米长。由于馈入线是短的，它的宽度对天线性能不敏感。此外，线圈天线22的长度(或者匝数)被调整以用于在低频波段(第二频率)谐振。本发明的天线的整个尺寸为33毫米长，10毫米宽。注意，上述给定的尺寸是用于参考的。根据电话的结构和形状因素，可以相应地改变这些尺寸以改善性能。本发明中使用的绝缘体为RO3003材料，它的电介质常数为3.0，厚0.5毫米，具有1盎司的铜。选择更高的电介质常数材料将减少天线的物理尺寸，但是增加了损失。
末端开口的缝隙天线被配置以在更高的频率波段上工作，这些频率波段包括GPS(1500MHz)、DCS(1800MHz)、PCS(1900MHz)和BluetoothTM(2400MHz)。线圈天线被配置以获得在更低频率波段上的辐射，这些频率波段包括模拟、CDMA或TDMA(800MHz)或GSM(900MHz)。此外，尽管图形示出缠绕的线圈仅仅具有几匝，可以在本发明中容易地实现所需要的匝数。同样，以尺寸为代价，可以使用微波传输带曲折线代替线圈。
图4示出本发明的第二优选实施例。在这个实施例中，缝隙天线20与图2和3中的天线相同，且更好地说明了微波传输带馈入线33和缝隙29的相对位置。具体地说，微波传输带馈入线33的平行部分35位于缝隙29旁边，但是不在它下面。缝隙天线20的操作与图2和3的天线操作相同。然而，天线部件22的线圈部分35与图2和3中的线圈部分成90度。这种朝向给出了选择，用于进一步减轻了在缝隙天线20和天线部件22之间的任何交叉耦合。应当认识到，这种朝向利用了通孔(vias)26的用途，因为包着的导电迹线不能用在线圈的一侧上。图5给出了图4的天线装置的截面视图，以更清楚地示出通孔(vias)26。
可以对本发明作出其它方面的改变，诸如增加置于绝缘体材料的底部表面上的附加导体，附加导体耦合穿过缝隙以促使天线在更多的频率波段上辐射。然而，多个导体配置必须考虑各个导体之间的相互作用以及进一步可能的激励驱动端口。此外，微波传输带馈入线可以更靠近带有平行部分35的缝隙的封闭末端，用于调谐指向缝隙的开口末端。沿着这些相同的线，微波传输带馈入线部分34和35可以被改造以形成C-截面或者T-截面，而不是如图所示的L-截面，只要馈入线的至少一部分延伸穿过缝隙，且调谐部分至少部分平行于缝隙的长轴延伸。微波传输带馈入线可以具有其它的结构，诸如曲线，然而，L形是优选地，以减少需要的天线的表面面积。将微波传输带馈入线的形状形成为“L”、“C”、或“T”截面，或者任何其它的形状，有效地增加电容和/或电感并联元件(shunt components)以获得希望的阻抗，而不增加额外的匹配网络。而且，可以配置天线装置，使得第二辐射频率波段高于或低于第一辐射频率波段。虽然，尺寸变动极限限制了优选实施例具有第一(缝隙)频率高于第二(线圈)频率。
在上述示出的例子中，用两个由单一激励端口驱动的不同类型的天线部件来示出多波段天线装置，而两个部件在不同的频率波段上辐射。测试结果表明本发明的天线装置提供了与延伸的外部天线相似的辐射效率，并且比“短粗”天线效率更好。这是以低成本提供的，并且可以完全位于无线电话内部的方便形状因素来实现的。
尽管上面已经介绍了多波段缝隙天线的特定元件和功能，本领域普通技术人员可以在本发明的范围之内，采用更少的或附加的功能。本法明应当由权利要求书所限定。

Claims (10)

1.一种在多波段无线电话中使用的天线装置，其可在第一频率和第二频率上工作，所述天线装置包括：
绝缘体材料；
确定置于所述绝缘体材料的第一部分的顶部表面上以形成基本上是方形的缝隙的导电带的缝隙天线，所述缝隙天线可在第一频率上工作，所述缝隙具有大约为第一频率的波长的1/8的电长度；和
置于所述绝缘体材料的第二部分上的天线部件，所述天线部件可在第二频率上工作；和
所述导电带具有位于该导电带的第一侧面部件的接地连接点，并且具有位于与所述导电带的第一侧面部件相反的第二侧面部件并且耦合到所述天线部件的馈入点，其中从所述接地连接点到所述馈入点的电长度大约为第一频率的波长的1/4。
2.如权利要求1所述的在多波段无线电话中使用的天线装置，其中，所述天线部件的一部分被安排在线圈结构中。
3.如权利要求2所述的在多波段无线电话中使用的天线装置，其中所述线圈结构由缠绕在所述绝缘体材料的第二部分周围的导电带组成。
4.如权利要求2所述的在多波段无线电话中使用的天线装置，其中所述线圈结构由两组导电带组成，所述两组导电带置于所述绝缘体材料的第二部分的相反表面上，并且经通孔穿过所述绝缘体材料连接在一起以形成线圈绕组。
5.如权利要求1所述的在多波段无线电话中使用的天线装置，进一步包括微波传输带馈入线，其被置于所述绝缘体材料的底部表面上，与所述缝隙天线相反且在其之下，且垂直于所述缝隙天线的长轴。
6.如权利要求5所述的在多波段无线电话中使用的天线装置，其中所述微波传输带馈入线在所述缝隙天线的开口末端处将能量耦合到所述缝隙天线。
7.如权利要求5所述的在多波段无线电话中使用的天线装置，其中，所述微波传输带馈入线包括平行于所述缝隙天线的长轴方向延伸的调谐部分。
8.如权利要求1所述的在多波段无线电话中使用的天线装置，其中，所述缝隙天线是末端开口的缝隙天线，其由置于绝缘体材料的第一部分的顶部表面上的U形导电带确定。
9.如权利要求1所述的在多波段无线电话中使用的天线装置，其中，所述接地连接点和馈入点位于所述缝隙天线的开口末端附近，并且进一步包括一激励端口，其电磁耦合所述缝隙天线和所述天线部件。
10.如权利要求5所述的在多波段无线电话中使用的天线装置，其中，所述微波传输带馈入线包括调谐部分，该调谐部分至少部分地平行于所述缝隙天线的长轴方向延伸，所述微波传输带馈入线具有从“L”形、“C”形和“T”形的组中的一个中选出的形状。
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